metodo del instituo del asfalto (2)
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METODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO
MTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO
I.- PRESENTACIN
Los procedimientos de diseo empleados por este mtodo, estn basados en el anlisis de los datos proporcionados por la prueba de caminos AASHO, la Washo, laS pruebas de caminos britnicos y otras fuentes.
Esta elaborado considerando como factores: la composicin y volumen de trfico mediante una escala de factores de equivalencia, evaluacin de los suelos de la subrasante, espesor total, espesor de las capas, diseos alternos, compactacin, drenaje efectos de las heladas y anlisis econmicos.
Por este motivo, es necesario que el ingeniero se inicie en el diseo de pavimentos adecuados y econmicos para un proyecto dado y condiciones de servicio establecidos, considerando todo los factores que influyen en el diseo total del espesor de la estructura de los pavimentos asflticos.
Por este motivo, es necesario que el ingeniero se inicie en el diseo de pavimentos adecuados y econmicos para un proyecto dado y condiciones de servicio establecidos; considerando todos los factores que influyen en el diseo total del espesor de la estructura de los pavimentos asflticos.
Un diseo apropiado y econmico para la estructura de un pavimento es tan importante como la de cualquier otra estructura. Un diseo no adecuado fallar seguramente, tal vez no tan espectacularmente como otro tipo de estructura; sin embargo, la responsabilidad tcnica de la falla es tan cierta como real.
Por otra parte, un sobrado sobre diseo o la seleccin de otro que no sea el material ms econmico y adecuado, es contrario al nivel de la profesin de ingeniero.
II.- GENERALIDADES:
La estructura de un pavimento asfltico debe ser diseada para soportar el peso de la mxima densidad de transito soportando la carga de sus ejes; las altas presiones y esfuerzos; para que as., por distribucin interna y extensa se reduzcan en magnitud antes que lleguen satisfactoriamente a la subrasante o suelo natural.
La estructura del pavimento esta hecha. De ordinario, con materiales de resistencia y valor soporte creciente a partir del suelo, a la subrasante y de all a la superficie del pavimento. Las caractersticas de los materiales pasados influirn en el espesor de cada capa componente y en consecuencia; en el espesor total.
El Instituto del Asfalto recomienda la relacin de sustitucin de varios materiales, lo que proporciona un mtodo para seleccionar la ms econmica y eficiente combinacin de materiales. La relacin de sustitucin esta basada en la comparacin con concreto asfltica de alta calidad de similar a la mezcla densa tipo IV.
Hay tanta variedad en la construccin de pavimentos asflticos que muchos tipos de mezclas asflticas son utilizables son utilizables para las mismas condiciones de trafico y clima. Cantidad de otros tipos de mezclas, que no don los similares a la mezcla de tipo IV del instituto de Asfalto pueden, tambin prestar excelentes servicios; sin embargo la relacin de sustitucin y el periodo de sustitucin para esas mezclas no se han establecidos hasta ahora.
III.- PROCEDIMIENTO
El procedimiento del instituto del asfalto para determinar los espesores de la estructura de un pavimento asfltico, considera lo siguiente:
El trafico posible
El valor de esfuerzo de los materiales de cimiento ( CBR, valor R valor de soporte )
La cantidad de los materiales seleccionados
El mtodo de construccin
1) Anlisis de trafico:
El trafico provisto se calcula como el ndice de trafico ( se llama Numero de Transito para el Diseo para el Diseo (NTD) o transito de Proyecto (sing. Traffic Number, DTN)
NDICE DE TRAFICO: Es el nmero promedio de equivalentes de ejes simples de 18,000 libras por da que se supones pasan por el carril de diseo, durante el periodo de diseo; normalmente para 20 aos.
Existen varias mtodos para calcular el ndice de trfico para el diseo y pueden ser procedimientos grficos o analticos.
El mtodo presenta el procedimiento de diseo en funcin de ejes simples de 18,000 lb de peso equivalente, porque este es un peso de eje legal en varios estados.
Para convertir el peso equivalente de eje simple de 18,000 lb el procedimiento el procedimiento de grficos es ntegramente valido para los pesos de ejes actuales tanto los ms pesados como los menos pesados de 18.000 lbs.
2) Evaluacin De Los Materiales De Subrasante, Subbase Y Base
Los mtodos para determinar los valores de resistencia de los materiales de cimiento, son proporcionados en el manual de suelos para diseo de estructuras de pavimentos asflticos (MS-10), del instituto de asfalto.
Cuando no es posible o practico lograr medidas de mecnica de suelos la clasificacin de suelos sirve de base para estimar la resistencia del suelo.
3) Procedimiento De Diseo
Despus de haber fijado el valor o valores de resistencia de los materiales de cimentacin y el ndice de trfico para el diseo, se determinan el espesor de la estructura del pavimento utilizando el grafico apropiado de espesores.
Debido a las diferencias en pruebas y valores numricos en el CBR y en el valor R, hay dos grficos separados de espesores (como es posible correlacionar el valor soporte de placa con el valor del CBR de las pruebas de laboratorio o sobre muestras no disturbadas, se utiliza el mismo trfico para ambas pruebas)
Cuando hay variedad de materiales utilizables en la construccin en la construccin de la estructura de un pavimento asfltico, debe hacerse un diseo alterno incorporando varias combinaciones de estos materiales para determinar el pavimento mas econmico.
4) Anlisis Econmico Y Seleccin Del Diseo.
Despus de establecer el diseo alternativo, debe hacerse un anlisis econmico para determinar el costo anual de cada uno antes de la seleccin final de diseo.
Adems de la estructuracin del primer costo de la estructura del pavimento asfltico, otros costos, como mantenimiento y recubrimiento debern tomarse en cuenta.
En ciertas reas, experiencias y condiciones pueden justificarse modificaciones en el espesor determinado por los procedimientos indicados por el instituto de asfalto. Estos espesores son conservadores y pueden resultar adecuados para un servicio severo.
IV.- PERIODO DE DISEO
Se conocen tambin como PLAZO DEL PROYECTO, es el nmero de aos previsto desde la construccin del pavimento que se proyecta hasta que sean necesarios aplicar el primer refuerzo al nuevo pavimento.
El periodo de diseo es de 20 aos, pero existen mtodos que pueden utilizar otro periodo de diseo ya sea ms corto o ms largo que 20 aos.
Se estima que al final del periodo de proyecto es le momento en el que el pavimento alcanza un ndice de servicio o de utilidad de 2.5. A partir de ese instante, ser preciso arreglar el pavimento anterior o preconstruirlo. El periodo de diseo no debe confundirse con la vida prevista del pavimento; ya que con refuerzos sucesivos esta puede ser prcticamente ilimitada hasta que lo impidan las condiciones geomtricas u otras razones de la va.
ndice Actual Deservicio: es un numero entre 0 y 5 utilizado para clasificar la actual calidad de superficie de rodamiento de un pavimento; siendo 0 para un servicio psimo y 5 para uno muy bueno.
Un pavimento calificado con menos de 2.5 necesita ser recubierto.
V.- CONSTRUCCIN POR ETAPAS PLANEADAS
Para esta clase de pavimentos, donde los materiales son muy caros y su aplicacin es en vas de importancia, muy frecuentemente pueden preverse la construccin por etapas para lograr mayor economa y para un mejor desempeo total del pavimento.
Un mtodo de planeamiento por etapas, es el disear para periodos cortos, digamos 5 aos o menos, previendo los refuerzos o capas que pueden ser necesarios.
Otro mtodo es disear para un periodo completo de, digamos 20 aos y entonces reducir el diseo en 1 o 2 pulgadas y previendo aadir el espesor restante cuando el ndice de servicio se aproxima a 2.5. Ms adelante se presentan ejemplos de estos casos.
VI.- DRENAJE Y COMPACTACIN
Una apropiada preparacin y compactacin de los materiales de la subrasante y de base, tanto como un buen drenaje, son etapas esenciales en la construccin de un pavimento debidamente diseado. Las recomendaciones del mtodo se basan en el supuesto que sern previstos estas etapas.
Informacin sobre el drenaje de estructuras de pavimentos asflticos se tiene en el manual del asfalto serie manuales N 4 (MS-4) del Instituto del Asfalto.
Detalles relativos a la compactacin de capas en la estructura de un pavimento asfltico; se da mas adelante y en el mismo manual serie N8 (MS-8).
VII.- EFECTOS DE LAS HELADAS
Los problemas de heladas y las recomendaciones para su tratamiento se discuten mas adelante.
VIII.- PAVIMENTOS DE CAPAS SUPERPUESTAS DE ASFALTO
El detalle para el diseo de pavimentos de capas superpuestas, se describen ms adelante.
ANLISIS DEL TRFICO
GENERALIDADES
El trafico en caminos y calles varia tanto en la cantidad de los vehculos como en la magnitud de las cargas por eje. El trafico cambia con el transcurrir del os aos.
Modelos del trfico actual y futuro no puede establecerse en forma precisa para un nuevo camino o calle. Igualmente sobre facilidades existentes, las estimaciones sobre trfico futuro son solo aproximadas
Dado que los efectos acumulativos de las cargas del trafico son un importante factor en el diseo estructural de un pavimento; tanto el modelo de trafico inicial como los cambios futuros deben ser cuidadosamente estudiados por el diseo de la estructura de un pavimento.
A causa del infinito cambio del volumen de trafico y de las cargas, los efectos acumulativos de estos factores pueden resumirse en algn denominador comn para uso practico en el diseo estructural de pavimentos.
Los procedimientos descritos por este mtodo emplean, como ya se dijo, un ndice de trfico para diseo como comn denominador.
Cuando se provee un volumen relativamente alto de camiones pesados bebe utilizarse el procedimiento detallado para una mas precisa determinacin del ndice de trfico para diseo, que se describirn ms adelante.
Para obtener el trfico se debe conocer algunos trminos especiales, los que se definen como sigue:
TRANSITO DIARIO INICIAL (IDT):
Es la media diaria del nmero de vehculos que usaran la carretera en ambos direcciones, estimados en el primer ao de servicio.
Es el conocimiento previo del trfico, es decir el trfico en el momento de diseo, actual o inicial.
Se determinan en forma objetiva o por comparaciones mediante las siguientes tcnicas:
1. Recuentos manuales o personales.
2. Registradores de pluma mltiples: son combinaciones de mtodos manuales y mecnicos.
3. Dispositivos mecnicos: se hace el conteo de vehculos y los registran automticamente; entre estos se tiene:
Detectores Neumticos
Contactos Elctricos
Fotoelctricos
Radar
Magntico
4. Mtodo del automvil en movimiento.
5. Mtodos fotogrficos.
Como se ve, es necesario establecer, con base en estudios previos de transito, econmicos, sociales, etc., el numero diario medio de vehculos que se han esperar en el camino durante el primer ao de su operacin.
Con base a datos de aforos y clasificacin del transito valido al caso, ha de determinarse tambin el porcentaje de vehculos pesados que existiera en el primer ao, llegndose incluso a definir cuanto de este porcentaje corresponde al carril de diseo, en el caso de caminos de mas de dos carriles de circulacin.
Con base en anlisis previos podr conocerse tambin el peso promedio de los vehculos pesados, as como lmites de carga legal por eje sencillo establecido por las autoridades.
Equivalencia De Ejes Simples A De 18,000 Libras
Es el efecto que produce en el comportamiento de un pavimento, uno o ms ejes de cualquier magnitud, comparando con el nmero de ejes simples con carga de 18,000 libras que se requiere para producir el mismo efecto.
Estudios de investigacin han proporcionado factores para convertir varios pesos de ejes equivalentes de ejes simples de 18,000libras.
Carril De Diseo O Proyecto
Es el carril en el que se espera que pasen un numero mayor de vehculos de 18,000 libras de peso por eje simple.
La determinacin del carril de diseo depende del tipo de va, as por ejemplo, en una carretera de dos carriles, se utiliza uno de ellos como el carril de diseo; en una va de varios carriles, el carril de diseo ser el exterior ya que este es el mas cargado, pues es el que se reserva para el grafico de velocidad lenta v1, puesto que estas velocidades aumentan mientras el carril es ms interior o sea v1100%)
Base Granular de alta calidad (CBR>20%)
1.3
1.4
2.0
2.7
En la tabla anterior se echa de monos, por razones obvias, la citacin de varios tipos de capas muy usuales que no fueron objeto de investigacin experimental. Tambin se seala que los valores del CBR que aparecen se refieren al uso de la Tcnica del cuerpo de Ingenieros Militares de EUA, por lo que no podr utilizarse los provenientes de otras modalidades de la prueba.
Grafico Para el Diseo de Espesores
La Fig. N11, contienen los grficos bsicos para determinar el requerimiento total de espesores de la estructura del pavimento y el espesor de todas las capas componentes.
La Fig. N10, se utiliza con resistencia de la subrasante medida por el CBR en la prueba de la capacidad portante. La Fig. N11, se utiliza con resistencia de la subrasante medidas en trminos del valor de R, derivados del procedimiento de prueba del Estabilometro.
Los 2 grficos proporcionan el espesor total requeridos en trminos de TA, exigencia de espesor total de concreto asfltico.
Diseos alternativos, incorporados Base Granular y capa de Subbase, tambin pueden obtenerse con estos grficos cuando se utilizan relaciones de sustituciones apropiadas.
La lnea AA en el grafico se utiliza para establecer el espesor minino de la superficie de Concreto Asfltico y la Base de Concreto Asfltico exigido para cualquier resistencia de subrasante en ndice de trfico.
La lnea BB determina si puede usarse Subbase. Tambin se usa para la determinacin del espesor requerido por la Base y la Subbase.
Los procedimientos para estas determinaciones se describen enseguida:
1. EL NDICE DE TRFICO, establecida por los procedimientos ya descritos.
2. RESISTENCIA DE AL SUBRASANTE, (CBR, valor R o valor ce capacidad portante)
Exigencias de Espesor Mnimo de Concreto Asfltico.
El espesor mnimo de concreto asfltico para cada ndice de trafico, esta indicada por la lnea AA de las fig.N10 y 11.
De la interseccin de la lnea que representa el ndice de trfico con la lnea AA, se traza una horizontal de la escala TA redondeando el resultado a 0.5.
Este espesor consiste en una capa de superficie y la capa de base de concreto asfltico.
El espesor de Capa de Superficie no podr ser menor a lo que indica la tabla N11.
Tabla N11.- Exigencias de Espesor Mnimo de Concreto Asfltico.
ndice de Trafico
Espesor mnimo Sobre la Base de Concreto Asfltico,(Capa de Rodadura)
Menos de 10 (Trafico Liviano)
10-100 (Trafico Mediano)
Mas de 100 (Trafico Pesado)
1 (2.5 cm.)
1 1/2"(3.8 cm.)
2 (5.0 cm.)
Cuando no se utilizan Bases Asflticas si no las comunes Bases granulares (Nitratadas), el espesor mnimo de Capa de Rodadura de concreto asfltico que propone el Instituto del Asfalto puede obtenerse de la fig.N12.
Fig. N12.
Nmero de Transito Para Diseo (NTD)
Requisitos Mnimos Para Materiales de Base Hidrulica
Tipo de Prueba
Normas
Baja Calidad
Alta Calidad
CBR Mnimo
Valor L Mnimo
Limite Liquido, Mximo
ndice Plstico, Mximo
Equivalente de Arena, Mnimo
Mximo % de Material que pasa el tamiz N200.
20
55
25
6
25
12
100
80
25
NP
50
7
Fig. N12.- Espesores mnimos de Carpeta de concreto asfltico sobre Bases Granulares.
Debe comentarse que los resultados de la utilizacin de la Fig. N12, conducen a capa de rodadura que quiz resalten algo excesivas para la tecnologa de algunos pases, en lo que es muy raro verlas construidas aun en carreteras de excelente comportamiento y en los que la utilizacin de la capa de rodadura con sistema de mezclas, aun a base de un solo riego, han dado magnficos resultados en carreteras de transito moderno.
Tambin se puede tener en cuenta, que como en esta clase de pavimentos la capa de rodadura tienen un espesor considerable (mas de 2 o 5 cm.), por tener una gruesa capa; su estabilidad es mayor y no es totalmente flexible. La rigidez excepcional de la capa lo hace poco deformable y la ruina del pavimento puede producirse cuando la deformabilidad excesiva de las capas inferiores da lugar a la figuracin de la capa superior.
Por esto, cuando se usa capas de rodamiento con espesores de 2, es frecuente ejecutar dos capas de constitucin diferente. La capa inferior generalmente menos compacta y menos rica en ligante, se llama BINDER O CAPA INTERMEDIA, la superior es la capa de rodamiento. Ver Fig. N13.
FIGURA N13.- Partes de la Capa de Rodadura.
DETERMINACIN DEL ESPESOR DEL DISEO.
El espesor de diseo Ta se determina de la Fig. N 10 y 11. Se sita la resistencia de diseo de la subrasante en la escala horizontal del grafico apropiado.
Se traza una lnea vertical hasta cortar la lnea que representa el ndice de Transito, interpolando si es necesario, y de este punto se sigue una lnea horizontal hasta llegar a la escala vertical de la izquierda del grafico, donde se lee el espesor redondendolo dentro de 0.5.
Este es el espesor de diseo Ta cuando la exigencia mnima de espesor de concreto asfltico es mayor de Ta; este utiliza como Espesor de Diseo.
ESPESOR TOTAL DE CONSTRUCCIN ASFLTICA.
Si el espesor total es de asfalto, el espesor recomendado de la estructura del pavimento es igual al espesor de diseo Ta.
ESPESOR MNIMO DE CAPA DE BASE Y SUBBASE GRANULARES.
En los siguientes conceptos se recomienda ciertas exigencias mnimas para espesores de capas granulares de base y subbase.
De todas maneras no es practico construir estas capas de espesores menores de 3 (7.5 cm.).
CASOS DE SUSTITUCIN QUE SE PRESENTAN.
Se puede representar tres casos de sustitucin:
1. Sustituir una porcin de concreto asfltico por una base granular:
Pasos granulares de alta calidad puede sustituir aquella parte de espesor de diseo, Ta, que excede de la Exigencia de espesor mnimo concreto asfltico determinada por la lnea AA.
Se recomienda una medida de sustitucin de 2 de capa de base granular por 1 de concreto asfltico reemplazado.
Para determinar los espesores exigidos para concreto asfltico y base granular se produce as:
a. Del punto de interseccin (1), ver Fig. N13, de la lnea vertical el valor resistente del suelo con la diagonal ndice de Trafico; se traza una horizontal a la escala Ta, leyndose el valor redondendolo dentro. Esta es la exigencia total de concreto asfltico sobre la subrasante (espesor total de concreto asfltico).
b. Desde el punto de interseccin (2), del ndice de transito con la lnea AA en el grafico se traza una horizontal hacia la escala Ta, leyendo el valor T1 es la mas prxima 0.5.Este es el mnimo recomendable de espesor combinado de concreto asfltico para base y capa de rodadura que puede permitirse.
FIG. N13
c. Se resta el valor determinado en el paso (b), del valor determinado en el paso (a) o sea (Ta T1). Este es el espesor de concreto asfltico base que puede ser sustituido por una base granular. Ver Fig. N14.
FIG. N14
d. Se multiplica el valor obtenido en el paso (c) por la razn de sustitucin de 2:1(para base granular con relacin a base de concreto asfltico). Esto determina el espesor de la base granular (Ta T1) 2.
e. El espesor total requerido para estructura, utilizando concreto asfltico y base granular es la suma del valor determinado en el paso (b) mas el valor determinado en el punto (d).Fig. N15. La subrasante har las veces de subbase.
Puede utilizarse otras combinaciones de espesores de concreto asfltico y base granular. El espesor de concreto asfltico encontrado no debe ser nunca menor que el determinado en el paso (b).
La exigencia de espesores totales de la estructura del pavimento debe ser aumentada en la diferencia entre el espesor calculado de base granular y el espesor de concreto asfltico para el que se hizo la sustitucin.
FIG. N15
2. Sustituir una porcin de concreto asfltico por una subbase granular:
El mnimo espesor exigido para permitir el uso de subbase de material granular, se indica para cada ndice de Trafico por la lnea BB.
De la interseccin BB de la lnea que representa el ndice de trafico con la lnea BB, se traza una horizontal hacia la escala Ta, leyendo en la prxima divisin de 0.5.
Cuando este valor es menor que el espesor de diseo Ta, para la diferencia entre ellas representa el espesor que puede ser sustituido por la subbase granular cuyo valor debe multiplicarse por la relacin de sustitucin de 2.7:1.
Cuando es igual o mayor que el espesor de diseo Ta, entonces la subbase granular no puede utilizarse. (Sucede cuando el punto 1 cae en la derecha de BB).
Para determinar las exigencias de espesores para combinaciones de concreto asfltico y subbase granular, se procede as:
a. Del punto de interseccin (1), ver Fig. N16, de la lnea vertical baja de la escala de la resistencia del suelo, con la diagonal ndice de Trafico, se traza una horizontal a la lnea de escala Ta, leyendo el valor en la ultima 0.5 del valor mas alto.
Esta es la exigencia de espesor total de concreto asfltico sobre la subrasante.
b. Del el punto de interseccin de la lnea diagonal que representa el ndice de Trafico con la lnea BB se traza una horizontal a la escala Ta, leyendo el valor T1,en la mas prxima 0.5.
Este es el mnimo espesor permisible de concreto asfltico, recomendable, fuera del espesor de la base granular necesario (no se usa base granular)
FIG. N16
c. Se resta el valor determinado en el punto (b) del valor determinado en el paso(a) o sea (Ta T1). Este es el mximo valor de concreto asfltico que puede ser sustituido por la subbase granular. Ver Fig. N17
FIG. N17
d. Se multiplica el valor en el paso (c) por la razn de sustitucin de 2.7:1 (para subbase con respecto al concreto asfltico). Esto determina la exigencia de espesores de subbase granular para utilizarse con el mnimo permisible de espesores de concreto asfltico determinado en el paso (b).
e. La exigencia de espesor total de la estructura del pavimento es entonces igual a la suma de los valores determinados de los pasos (b) y (d); como se muestra en la Fig. N18.
FIG. N18
Puede usarse otras combinaciones de espesores de concreto asfltico y subbase. Cuando usan dichas combinaciones, de todas maneras los espesores de concreto asfltico no deben ser menores que los determinados en el paso (b).
La exigencia de espesores de estructura del pavimento debe incrementarse en la diferencia entre los espesores calculados de subbase y los espesores de concreto asfltico por los que fueron sustituidos.
3. Sustituir una porcin de concreto asfltico por una base y subbase granular:
La estructura el pavimento puede estar compuesta de combinaciones de concreto asfltico, Base y Subbase Granulares, con las limitaciones especificadas ms abajo, se puede si el punto de interseccin de la vertical bajada de la escala de resistencia de los suelos de los ndices de Trafico cae a la izquierda de la lnea BB en el grafico correspondiente.
Para determinar las exigencias de espesores para estas capas componentes se proceder de esta manera:
a) Del punto (1), interseccin de la vertical bajada de la escala de resistencias de suelo, con la lnea que representa el ndice de trfico se traza una horizontal hacia la escala TA leyendo el valor en la ltima 0.5" superior. Figura N 19.
Esta es la exigencia total del espesor del concreto asfltico sobre la subrasante.
b) Del punto (2), interseccin del ndice de trnsito con la lnea AA se traza una horizontal haca la escala TA, leyendo el valor T1, de la ms prxima 0.5".
Este es el mnimo permisible de espesor de concreto asfltico si se usa base granular que se recomienda.
c) Del punto de interseccin de la lnea que representa el ndice de trnsito, con la lnea BB (2), se traza una horizontal hacia la escala TA, leyendo un valor T2 de la prxima 0.5".
Este es el mnimo permisible de espesor de concreto asfltico, base y capa de rodadura; si se contempla el empleo de una subbase granular.
Figura N 19
d) Se resta el valor derivado del paso (b), del obtenido del paso (c), (T2 - T1).
Este es el espesor de concreto asfltico mnimo permisible, que se recomienda puede ser reemplazado por una base granulada, si se utiliza el espesor mnimo de concreto asfltico T1 (paso b).
e) Se resta el valor derivado del paso (c) del valor derivado del paso (a) (TA - T2). Este es el ltimo espesor de concreto, para el cual puede sustituirse sobre una base anular. Ver Fig. N 20.
Figura N 20
f) Para establecer el espesor mnimo permisible de base granular, cuando se va a usar el espesor mnimo de concreto asfltico, se multiplica por la derivada del paso (d), (TA-T1), por la relacin de sustitucin 2:1, para base granular con relacin al concreto asfltico.
g) Para establecer el mximo espesor permisible de sub-base, se multiplica el valor deducido del paso (e), (TA-T2), por la razn de sustitucin 2.71. de la sub-base, con relacin al concreto asfltico.
h) Se reajusta el espesor total requerido por la estructura del pavimento, de paso (a), (f) y (g) Ver Fig.N 21.
FIGURA N 21
Otras condiciones de concreto asfltico, base y sub-base granulares pueden establecerse. Estas combinaciones de espesores deben calcularse de manera similar a la descrita. En ningn caso, podr el espesor de concreto asfltico ser menor que la deducida del paso (b), ni el espesor de la sub-base ser mayor que la estabilidad en el paso (g). El espesor total del pavimento requerido debe ajustarse a lo descrito en el paso (h).
Indicacin Importante:
Si el punto de interseccin (1) entre la lnea vertical de la capacidad portante de la subrasante y la que seala el valor del ndice del trfico, cae a la derecha de la lnea AA; en este caso no hay sustitucin posible de una porcin de concreto asfltico por una base ni por una sub-base granulares. Y el espesor mnimo de concreto asfltico TA a colocarse sobre la subrasante se obtiene trazando una horizontal por el punto de interseccin (2) entre la lnea AA con la que seala el valor del trfico para el diseo. Fig. 22.
Figura N21.
Figura N 26
Seleccin de la Solucin:
Despus de proyectar diversas posibilidades, se determina si costo estimado de cada seccin, incluyendo otros elementos, como los costos anuales medios de conservacin, las condiciones climatolgicas y los resultados obtenidos en la prctica con pavimentos asflticos construidos utilizando los materiales locales.
En ciertas zonas, la experiencia y condiciones locales pueden justificar una modificacin del espesor del proyecto. Los espesores obtenidos por el mtodo del Instituto del asfalto estn del lado de la seguridad, y son adecuados para las condiciones ms difciles; sin embargo, los ensayos fsicos y qumicos, normalmente utilizados, pueden no ser suficientes para prever el comportamiento de los suelos.
Si se cree que existen estas circunstancias, se debe consultar con un especialista en suelos.
CONSTRUCCIN POR ETAPAS
La construccin por etapas es la construccin de un camino o calle por medio de la construccin sucesiva de capas de concreto asfltico de acuerdo al diseo con un predeterminado programa de tiempo.
La construccin por etapas se puede hacer en dos formas en cada una, el pavimento es para construirse en dos etapas:
a) Una construccin es para utilizar el periodo total de diseo de 20 aos. Entonces para el paso (1) reducir el espesor de diseo en 1" 2" de concreto asfltico o un espesor equivalente de base o sub-base granular.
b) El otro es para usar un perodo de tiempo ms corto para el paso (1) de espesor de diseo, digamos 5 aos o menos y luego prever por el paso (2) la construccin al final de ese perodo.
Ventajas de la Construccin por Etapas
Las ventajas son:
Se puede realizar la prueba del comportamiento.
Un anlisis del trfico, posiblemente ms preciso.
Una mejor utilizacin de los recursos.
La prueba del comportamiento se gana localizando y reparando los desperfectos que pueden desarrollarse dentro de la primera o segunda etapa.
Rectificaciones menores pueden hacerse antes de planear la segunda etapa y dar como resultado un pavimento con superficie de rodadura lisa de mejor comportamiento.
Para el diseo inicial debe estimarse el volumen de trfico, as es posible en la segunda etapa, tener ms datos sobre el trfico que utiliza el camino en la actualidad.
Estas enmiendas para el diseo pueden ser hechas en el paso (2) ya sea, aumentando o disminuyendo la etapa de los 20 aos originales para el diseo.
Ambas ventajas darn como resultado una mejor utilizacin de los recursos.
Procedimientos de diseo
1. Construccin por etapas, por reducciones del espesor de la estructura para pavimentos de diseo total:
Se determina primero la estructura del pavimento para el periodo de diseo de 20 aos utilizando los procedimientos ya descritos.
Los pasos siguientes deben hacerse para estimar el tiempo entre las etapas 1 y el tiempo en el que el pavimento debe construirse en su etapa final de diseo.
a.-Se reduce el espesor de la estructura del pavimento en el diseo para 20 aos, en una o ms pulgadas de concreto asfltico, o en un espesor equivalente de base o subbase granulares, utilizando la razn de sustitucin dada. Este puede ser el diseo para la primera etapa de construccin.
b.-Se estima el nmero de aos de servicio entre la etapa 1 y la etapa 2.El pavimento se construir para el total de 20 aos de diseo en la etapa 2.El tiempo entre la etapa 1 y la etapa 2 de construccin se calcula por la determinacin del periodo de diseo para la seccin estructural de la etapa 1 para una seccin plena de concreto asfltico utilizando la razn de sustitucin dada.
Este perodo de diseo en aos, es igual a 20 veces el ndice de trfico obtenido del trafico de diseo para espesores, dividida por el ndice original para 20 aos.
Perodo de Diseo (Etapa 1) = 20 IT (Etapa 1)
Ejemplo 1
Supongamos que el IT es 490 y que el valor resistente del suelo, es CBR = 4%. El espesor de diseo TA determinado por la figura es 11.5". El diseo decidido debe tener 2" de TA para la etapa 1. Determinar el perodo de vida que se espera para las 9.5" restantes.
Solucin:
De acuerdo con la Figura 10, eL ndice de trfico para CBR = 4% y
TA = 9.5" es aproximadamente 75.
Una estimacin conservadora del periodo de diseo de la seccin ser:
(20) 75 = 3.06 aos
Esto indica que la etapa 1, da una esperanza de buen comportamiento y servicio para cerca de 3 aos.
Durante el perodo estimado de tiempo que sigue a la construccin de la etapa 1, puede hacerse un reajuste de la evaluacin original del trfico. Si la estimacin original resultara realista, la etapa 2 debe construirse como se haba establecido.
Si el trfico actual prueba una diferencia significativa, entonces debe hacerse un reajuste al tiempo de hacer la etapa 2 de construccin.
El perodo de diseo estimado despus de la etapa 2 es de 20 aos. El periodo total estimado como perodo de diseo es la suma del periodo de la etapa 1 ms 20 aos.
2. Construccin Por Etapas Para Un Perodo Determinado De Tiempo:
Siempre es deseable el construir un pavimento para un perodo de diseo de solo pocos aos, anticipndose que la segunda etapa puede disearse ms adecuadamente cuando el patrn de trfico lo establezca.
Este tipo de construccin por etapas es particularmente importante para calles o caminos rurales de poco volumen de trfico, donde no se puede sacar informaciones en el presente y, solo despus de la primera etapa, el dato para el futuro trfico utilizable.
El diseador selecciona un periodo de tiempo para el que desea que el diseo de la primera etapa sea adecuado a la mejor estimacin del trfico presente.
El ndice de Trfico para la etapa 1 es:
IT(Etapa 1) = 0.05N x IT(para 20 aos)
Donde:
0.05 = 1/20, es el Factor de correccin del tiempo.
N = Nmero de aos deseable para la etapa 1 y la 2.
IT = 20 aos.
El diseo de la etapa 1 se determina utilizando este IT con el procedimiento ya descrito.
Ejemplo 2
Supongamos que la informacin indica un IT de 50 y una subrasante de R =30. Supongamos tambin que el diseador desea que el tiempo de la primera etapa sea de 3 aos.
Solucin
El IT para el periodo de 3 aos es:
0.05 x 3 x 50 = 7.5
Entonces, el espesor de diseo TA de la Fig.N11 para la primera etapa con 3 aos de servicio es 7".
Un diseo alternativo puede proponerse como se establece para relaciones de sustitucin.
Se anticipa que la segunda etapa se construir al final del perodo de tiempo asumido antes.
El diseo para la segunda etapa puede hacerse para cualquier perodo de tiempo, como se describe para la etapa 1 usando un nuevo IT para los aos que le corresponde.
Ejemplo 3
Calcular el espesor del pavimento flexible para una carretera de dos carriles para un perodo de diseo de 20 aos, sabiendo que el IT es 140 y el terreno de fundacin tiene una capacidad portante de CBR = 4%.
El diseo del pavimento debe hacerse por etapas, siendo la primera de 5 aos.
Solucin
1) Clculo del pavimento para la primera etapa de 5 aos:
a.- Se corrige el IT de acuerdo a la indicacin anterior, usando la formula:
IT'= 0.05x N x IT
Donde:
IT'= ndice de trfico para 5 aos (Etapa 1)
N = Periodo de diseo de la Etapa 1 = 5 aos
IT = ndice de trfico para 20 aos = 140
IT'= 0.05 x 5 x 140
IT'= 35
b.- Con IT '= 35 y CBR = 4%, se determina el espesor total del pavimento de concreto asfltico, de acuerdo al procedimiento indicado, y se tiene:
TA = 8.5" Ver Fig N 27.
Figura N 27
c.- Como el IT = 35, es un Trfico Mediano y para este, la capa de rodadura mnima es 1.5", el diseo podr ser; ver Fig.N 28.
d.- Para IT de 140 y CBR de 4%, el espesor total del pavimento de concreto asfltico es 11", entonces, la disminucin del espesor de la estructura ser:
11- 8.5" = 2.5" de concreto asfltico
e.- Si se contempla el uso de base granular, para IT = 140, la estructura tendr un espesor mnimo de concreto asfltico de 5". Entonces, para IT' =35, la parte de concreto asfltico que puede sustituirse por una base granular, ser: 8.5" - 5" = 3.5"
f.- El espesor de cada una de las capas del pavimento ser:
Capa de rodamiento de CA = 1.5"
Capa de base de de CA = 5.0"-1.5" - 3.5"min.
Capa de base granular = 3.5" x 2 = 7.0"
Ver Fig.N 29
2) Calculo del pavimento para la segunda etapa:
a.- Se puede modificar el IT y el tiempo de diseo. El primero de acuerdo con las condiciones reales del trfico al final del perodo de la etapa 1, y el segundo, conforme a la necesidad.
Supongamos que el IT previsto de 140 no es conforme, porque el crecimiento del trfico vehicular ha sido mayor y el nmero de camiones pesados ha aumentado y que el IT sea 600 y el periodo de diseo se ha fijado en 20 anos.
b.- Con el IT de 600 y el CBR primitivo de 4%, se determina el espesor total de concreto asfltico del pavimento sobre la subrasante y es 12".
c.- En la primera etapa, el espesor del pavimento de concreto asfltico, o sea el espesor existente es de 8.5", entonces, lo que hay que aadir para alcanzar espesor necesario, es:
12.0"- 8.5" = 3.5" Esto es, que al pavimento existente hay que ponerte una sobre capa de cemento asfltico de 3.5".
d.- Si el pavimento fue construido todo de concreto asfltico, quedar con el siguiente diseo. Ver Fig.N 30
Y en el caso de ser construido con base granula: se tiene el espesor, que se indica en la Fig.N31.
En consecuencia, este procedimiento es importante porque:
Permite una observacin racional de la evolucin del pavimento durante los primeros aos y hacer pequeas reparaciones necesarias antes de realizar la segunda capa de aglomerado.
Prev una o ms capas necesarias de aglomerado asegurando una superficie de rodadura durante toda la vida del pavimento.
Recibe los datos concernientes al trfico a la medida yen la medida del adelanto de las obras y modificar con conocimiento de causa las previsiones de clculo.
Da una base adicional a un mtodo de construccin confrecuencia adoptado sin otra justificacin que consideraciones subjetivas.
DISEO DE ESPESORES EMPLEANDO NOMOGRAMAS
Muchas veces, algunos clculos en el diseo de espesores de los pavimentos de asfalto, se pueden agilizar, empleando grficos.
En este caso, el valor del nmero de trnsito para el diseo (NTD) se podr obtener multiplicando el valor del Nmero de Trnsito Inicial (NTI), usando el nomograma de la Figura 32, con el factor de correccin para este valor, obteniendo para el perodo de diseo y la tasa de crecimiento, mediante el uso de la Tabla N 2.
A manera de ilustracin veamos un ejemplo.
Ejemplo 1
Disear la estructura de un pavimento flexible, empleando el mtodo del Instituto del Asfalto, para una carretera de cuatro carriles.
De acuerdo al aforo realizado se tiene el siguiente volumen de trfico:
Tipo de Vehculo
Volumen promedio anual diario en dos direcciones
A
B
C2
C3
T2S2
T3S2
9540
680
738 Vehculo pesado = 1664
110
34
102
TOTAL
11204
Los materiales que forman la subrasante son de origen volcnico ML y MH (Limos inorgnicos de mediana plasticidad y de baja a alta compresibilidad).
Para el diseo del espesor total de la estructura se considera un CBR de 10% de material de subrasante y se emplear piedra triturada de alta calidad en la capa de base hidrulica
Se considera que el perodo de diseo es de 10 aos, con una tasa de crecimiento anual de 7%.
Solucin:
1) Evaluacin del trfico:
- Clculo del nmero de trnsito de diseo (NTD)
Este valor se obtiene a partir del volumen de trnsito mezclado, transformado a carga equivalente de 1 8,000 Lbs. (8.2 Tn) por eje simple.
El volumen de Trnsito Diario Promedio Anual Inicial (TDPA)i es igual a 11,204 vehculos.
El nmero de camiones pesados en el carril de diseo se calcula aplicando la formula siguiente:
N = TDI x A x B
Donde:
A = % de camiones pesados en dos direcciones
B = % de camiones pesados en el carril de diseo
Como los vehculos pesados suman 1,664, entonces:
A = 1,664 x 100 = 14.85 = 14.90%
La Tabla 1, para una carretera de cuatro carriles, da:
B = 45%
Remplazando:
N = 11,204 x 14.9 x 45 = 751 100 100
Suponiendo que el peso medio de los camiones pesados es 15 Tn con ejes simples de 18,000 Ibs; en el nomograma de la Figura 32, se obtiene el Nmero de Trnsito Inicial
NTI = 480, corresponde a Trnsito Pesado
Usando la Tabla 2, para un perodo de diseo de 10 aos y una tasa de crecimiento anual de trnsito de 7 % , (se obtiene interpolando entre 6% y 8%), el Factor de Ajuste de Trnsito Inicial es de 0.69.
Entonces, el Nmero de Trnsito de Diseo, ser:
NTD = NTI x 0.69 = 480 x 0.69 = 331
2) Clculo de la estructura del pavimento:
- Conociendo el trnsito de diseo 331 y con CBR de 10% del terreno de fundacin, empleando el nomograma se tiene:
Espesor total - 7.5" (19 cm) de concreto asfltico.
- Como el pavimento debe tener una Base Hidrulica de piedra triturada de alta calidad, en el grfico de la Figura N 12, se obtiene el espesor mnimo de capa de rodadura requerida por una base hidrulica de alta calidad. Para nuestro caso, el espesor mnimo de concreto asfltico para un trfico de 331, ser:
Espesor mnimo de concreto asfltico = 5.5" {14 cm) Por lo que, el espesor de la base granular ser:
7.5"-5.5" = 2.0" (5cm) en concreto asfltico.
De acuerdo con la Tabla N 11, el Factor de Equivalencia correspondiente a una base granular de alta calidad (CBR 100%) es de 2.0.
El espesor real de la base granular = 2" x 2" - 4" (10 cm)
En conclusin, la estructura del pavimento flexible quedar de la forma como indica la Figura N 33.
Carril de Diseo
Separador central
Carril de Diseo
(Exterior)
TDF
TDI
20 AOS
C1 + C2
2
12
10
10
ndice De Trfico
8
8
6
6
4
2
4
2
0
0
100
400
1000
4000
10000
Mnimo
400000
50 %
45
40
35
30
25
20
15
10
1000 - 2000
5
0
6000 - 7000
7000 - 8000
8000 - 9000
9000 - 10000
10000 - 12000
12000 - 15000
EMBED Equation.3 15000
5000 - 6000
4000 - 5000
3000 - 4000
2000 - 3000
EMBED Equation.3 1000
CAPA DE RODADURA
BASE
GRANULAR
CONCRETO
ASFALTICO
CONCRETO
ASFALTICO
BASE
SUBRASANTE
CAPA DE RODADURA
CONCRETO
ASFALTICO
SUBBASE
GRANULAR
BASE
GRANULAR
BASE
GRANULAR
CONCRETO
ASFALTICO
SUBRASANTE
RODADURA
BINDER
CAPA DE
RODADURA
DE CONCRETO ASFALTICO
CBR
A
B
T1
2
TA
IT
A
3
B
1
BASE
T1
CAPA DE RODADURA
TA = Espesor
Total de capa
DE C.A.
(TA - T1)
SUBRASANTE
BASE
CAPA DE RODADURA
ESPESOR
TOTAL DEL
PAVIMENTO
CONCRETO
ASFALTICO
T 1
MATERIAL
GRANULAR
(TA T1 ) 2
SUBRASANTE
CBR
A
B
1
TAA
T1
2
A
B
T1
BASE
CAPA DE RODADURA
TA = Espesor
Total de capa
DE C.A.
(TA - T1)
SUBRASANTE
BASE
CAPA DE RODADURA
ESPESOR
TOTAL DEL
PAVIMENTO
CONCRETO
ASFALTICO
T A
(TA T1 ) 2.7
SUBRASANTE
CBR
A
B
2
T1
T2
A
TA
3
B
1
CAPA DE RODADURA
T1 de C.A.
T2 de
C.A.
BASE
TA = Espesor
Total de capa
(T2 - T1)
de C.A.
(TA - T2) de C.A.
Subrasante
CAPA DE RODADURA
BASE
T1 DE C.A.
ESPESOR TOTAL
DE PAVIMENTOS
(T2 - T1) x2
(TA - T2) x 2.71
SUBRASANTE
CBR
A
B
CBR
A
B
1
2
TA
A
B
BASE
CAPA DE RODADURA
CAPA ANTICONTAMINANTE
ESTRUCTURA ABIERTA
Subrasanante
IT(20 aos)
490
8.5 " DE C.A.
SUBRASANTE
CBR = 4%
CAPA DE RODADURA
BASE
Figura N 28
SUBRASANTE
1.5"
8.5"
7.0"
BASE
CAPA DE RODADURA
1.5 "
12"
3.5"
7"
SUBRASANTE
Figura N 29
SOBRE CARPETA DE CA
SUPERFICIE DE C.A.
3.5"
1.5"
12"
PAVIMENTO
EXISTENTE
7"
BASE CA
Subrasante
Figura N 30
SOBRE CARPETA DE C.A
SUPERFICIE DE C.A
3.5"
BASE DE C.A.
15.5"
1.5"
PAVIMENTO
EXISTENTE
3.5"
BASE GRANULAR
7"
100
100
11.204
4.0"
5.5"
9.5" (24 cm)
SUBRASANTE
Figura N 33